地面车辆雷达目标特性研究

顾乃威，王丽伟，何 悦，孙颖力，刘 青

0 引 言

面临全天候、全天时的实时侦察与全球精确打击，导弹地面车辆的射前生存能力受到严峻挑战。伪装隐身是隐蔽己方的军事部署、行动和企图，欺骗、干扰敌方侦察监视的有效手段，是有效提升导弹地面车辆战场生存能力的有效途径之一。雷达目标特性研究是地面车辆雷达隐身设计与隐身性能评估的基础和前提，受到隐身技术研究人员的高度重视。本文在雷达侦察威胁和目标特性分析基础上，探讨了导弹地面车辆的雷达目标特性控制方法，为导弹地面车辆雷达隐身设计人员提供参考。

1 面临的雷达侦察威胁

1.1 星载雷达侦察威胁

星载侦察是实施战略侦察的主要手段，不受领空的限制，在和平时期和战争时期都可使用，尤其是星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）不受云、雾、烟和光照条件影响，可全天时、全天候对地侦察，是导弹地面车辆最重要的侦察威胁源。星载雷达侦察威胁的主要技术参数[1]：

a）侦察波段：雷达波段覆盖L、S、C、X；

b）分辨率：雷达侦察设备宽带扫描模式下分辨率为3 m，标准和聚束条件下达到0.3～1 m；雷达波段均可有效识别导弹地面车辆。

c）测绘带：雷达侦察卫星聚束模式侦察测绘带一般在10 km以下。

1.2 机载雷达侦察威胁

地面车辆面临的机载侦察威胁主要是高空无人机和隐身战机，其具有良好的隐身性能，携带精确打击武器，具备侦察、打击一体化能力，且有较强的突防能力，结合电子干扰，可能突破防空体系进行侦察与攻击活动。机载雷达侦察有如下特点：

a）侦察波段全：雷达波段覆盖L、S、C、X、Ku。b）分辨率高：雷达侦察设备在宽带模式下的分辨率为1～3 m，在标准和窄带模式下分辨率为0.3～1 m，聚束状态下分辨率达0.1～0.3 m；机载雷达侦察波段可有效识别地面车辆。

c）侦察距离和高度：以全球鹰无人机的机载高分辨率监视/侦察雷达系统（HiSAR）为例，条带成像和聚束成像模式下侦察距离为20～110 km[2]；侦察高度为20 km。

1.3 地面车辆雷达侦察角域分析

雷达侦察威胁角域是雷达赋形隐身设计的依据，需要首先确定。

a）擦地角。

雷达与目标相对角度定义如图1所示。

图1 雷达与目标相对角度示意Fig.1 Relative Angle of Radar and Target

星载SAR的观测区域大小受轨道信号模糊函数主瓣间角距和距离不模糊区域的限制。此外，当≥θ60°后，雷达图像中很大一部分表面被阴影所覆盖，不利于目标探测。所以，θ最大值只能在 55～60°之间取值。天线波束的最小入射角取决于允许的最差距离分辨率，当＜θ15°时，距离分辨率急剧下降，且背景杂波急剧增大，具有一个偏离天底20～30°的天底孔，该孔的信杂比对于可靠探测而言过大了[3]。另外参考文献[4]描述，星载 SAR一般入射角取 15～60°，视不同应用而定。对于Lacrosse雷达卫星侦察，其入射角θ在15～60°是合理的，按Lacrosse雷达卫星轨道高度680 km计算，目标擦地角范围为17～73°。若入射角取20～55°，则目标擦地角范围为25～70°。由国外典型星载SAR雷达典型参数可得：擦地角下限一般在25°以上，个别有Radar SAT-1擦地角下限为16°，擦地角上限一般在70°以下，个别有74°（SRTM）、73°（Envisat）；因此可得出结论：针对星载侦察地面车辆雷达威胁擦地角范围为16～74°，主要雷达威胁擦地角20～70°。

对于机载SAR来说，飞机平台越接近目标越易被对方探测和攻击，机载SAR对目标的擦地角的上限不能太大；山脉与其它障碍物的遮掩不能被雷达波束照射的区域称为雷达盲区，为缩小雷达盲区，擦地角也不能太小。以全球鹰无人机载的HiSAR为例，其威胁擦地角范围为10～45°。

b）方位角。

地面车辆在执行任务过程中，星载侦察是各方向威胁均存在，且威胁程度没有明显的大小之分，因此星载威胁方位角域为-180～180°（车头方向为0°）。机载侦察时，由于防空体系的存在，敌方侦察距离不能很近，因此地面车辆面向敌占区方向威胁较大，其主要威胁方位角域在-45～45°。

2 地面车辆雷达暴露特征分析

导弹地面车辆为完成导弹发射所需专用车辆，包括导弹发射车、导弹运输车等。下面以俄罗斯飞毛腿导弹地面车辆（见图2）为例分析地面车辆的雷达目标特性。地面车辆是一个典型的复杂形状电大尺寸目标，包含平面、柱面、凹腔、角形结构、表面不连续以及棱边等结构外形，形成了若干个散射源。回波较强的散射源主要有凹形区域散射、镜面反射、边缘绕射、行波回波等。表1为飞毛腿导弹地面车辆雷达强散射源分析。

分析授课专业对数据处理的需求，抽取低年级学生易于理解的、需要进行数据处理的典型专业问题，设计成专题项目，如：共享单车混线设计管理、矿石储量数据管理、高速公路车辆管理、长江水质分析与预测管理等。同时收集与专业问题关联的数据集，创建项目数据库。整合这些项目信息，构建专题项目资源库。该资源库的结构由专题项目的原始数据集、项目资料、教学用专题项目数据库、数据库应用程序等数据项组成。

图2 飞毛腿导弹地面车辆Fig.2 Photo of Scud Missile Ground Vehicle

表1 飞毛腿导弹地面车辆主要雷达强散射源分析Tab.1 Scud Missile Ground Vehicle

续表1

3 地面车辆雷达目标特性控制技术途径

地面车辆雷达目标特性控制技术途径包括雷达隐身赋形、雷达隐身与结构一体化、变形遮障、民用化雷达伪装、新型雷达隐身技术等。

3.1 雷达隐身赋形

雷达隐身赋形通过设计或修整车辆的形状轮廓、边缘与表面，使其在雷达主要威胁方向上的回波减缩。雷达隐身赋形技术是提高地面车辆自身公路机动、待发发射准备雷达隐身性能的重要途径之一，它不但可以降低地面车辆雷达散射强度，还可以改变地面车辆外观特征和雷达散射特征分布，降低地面车辆被SAR识别的概率。

实际的地面车辆设计中，需要兼顾总体性能、舱室容积、总体布置要求、工艺上的可行性、经济性等诸多方面因素，必要时与吸波材料结合进行隐身，使地面车辆的综合性能兼优。导弹地面车辆隐身赋形设计的要求[5]包括：a）整个外形设计趋于封闭型，采用斜置外形和占位方式，将威胁角内的强散射消除、削弱，降低地面车辆威胁角内雷达散射效应。b）对于威胁角内的三面角、二面角、腔体等凹型结构应采用外形结构设计加以避免。c）对地面车辆表面突出结构和凸出物，需要采用内嵌、背式、遮挡、加盖防护罩等方式处理，以减少散射源和散射体数量，降低散射总强度，减弱强散射点分布特性。d）采用屏蔽玻璃代替普通玻璃，防止雷达波通过玻璃进入驾驶室内产生腔体强散射效应。

3.2 表面采用吸波材料

综合利用结构吸波材料、涂敷吸波材料、透波材料、屏蔽材料、金属镀膜等材料与地面车辆结构集成优化设计，通过吸波材料对雷达波的吸收、材料与结构匹配对雷达波的多次吸收、散射和对消等方式降低地面车辆威胁方向上的雷达散射截面积（Radar Corss-Section，RCS）及雷达图像识别特性。对吸波材料性能要求一般采用垂直发射率来表征。为了与赋形技术紧密结合，克服赋形设计受到总体性能、舱室容积、总体布置的限制，进一步提高地面车辆的雷达隐身效能，对结构吸波材料的性能要求除了重量轻、频带宽、厚度薄、坚固耐用，价格便宜等传统要求外，还需提出吸波材料的发射率的角域特性要求，即要求吸波材料宽角域内吸波效果好或反射率波谷值随角度可控制等。

3.3 变形遮障

变形遮障是地面车辆传统伪装方式之一，能够有效改变车辆外形及其阴影，提升了车辆的战场生存能力。据悉美军21世纪初装备的超轻型伪装网系统，可以防可见光、近红外、热红外和雷达侦察，可衰减80%的红外辐射，散射与吸收6～140 GHz频段的雷达波能力，能有效对车辆、飞机、舰船等重点武器装备实施隐真伪装[6]。同时也应看到，变形遮障存在操作不便、机动状态伪装效果不足等弱点。

3.4 民用化伪装

民用化伪装通过多种技术手段将地面军用车辆的雷达特征按民用车辆设计，使得军用车辆没有明显的军事特征，使得敌方难以识别军事车辆，隐蔽了武器系统平时的暴露特性，提升了其战时的生存能力。

3.5 超材料雷达隐身技术

2005年，美国杜克大学Smith等提出折射率呈梯度变化的媒质能够使电磁波发生弯折，这一重要观点开辟了利用超材料实现电磁波隐身的新领域。2006年，英国物理学家Pendry等将上述观点应用于超材料，将材料的介电常数与磁导率按空间进行变化来控制电磁场的方向，Schuring等在微波频段设计和验证了由超材料制成的电磁隐身斗篷。电磁隐身斗篷的问世很快引起了全球范围的科学工作者对超材料构型设计和功能应用的广泛研究，除了隐身斗篷，电磁透明体、电磁聚焦器、电磁外斗篷、可调谐超材料吸收器等众多新颖的电磁装置均取得了相应的技术突破[7]。

超材料吸波器利用谐振吸收的原理，谐振位置与单元的几何形状、尺寸等密切相关，可以根据设计需求进行调控。与传统吸波材料相比，超材料吸波器具有丰富的可设计性，为3.2节需求的雷达隐身材料角域发射率设计提供一种可行的解决途径。超材料吸波器与车辆设备舱、驾驶室等结构进行一体化设计，可有效提升车辆的雷达隐身能力。

3.6 雷达主动变换

在隐身蒙皮方面，美国研究了一种主动雷达隐身装置，是在塑料涂层中集成微波探测器、相变换放大器和微波发射器。探测器探测到入射波、反射波和相消电磁波的合成波，然后相变换放大器转换探测器探测到的合成波，再通过发射器发射出去，这样理论上该武器平台的RCS近似为0，图3为该主动雷达隐身装置[8]。

图3 主动雷达隐身装置截面Fig.3 A Cross Sectional View of the Active Radar Stealth Device

在雷达主动变换方面，挪威研制的 EKKOⅡ干扰系统用于产生高逼真度的假舰船、假车辆等虚假目标图像，其对侦察参数测量精度依赖度高，实际应用条件苛刻。俄罗斯于2010年前后开始发展灵巧、分布式新型SAR干扰系统，但尚未形成装备，具体技术细节和参数未知。

雷达主动变换系统一般有告警模块、伪装信号处理及生成模块和雷达特征变换执行模块等组成。基本原理是通过雷达告警模块采集敌方雷达特性，经过伪装信号处理及生成模块对采集到的雷达辐射信号分析、处理，产生雷达遮蔽信号，最后通过雷达特征变换执行模块发射雷达遮蔽信号或改变车辆表面材料的电性能，实现目标雷达特征主动变换。图4为雷达主动变换系统原理框图。

图4 雷达主动变换系统原理框图Fig.4 Radar Characteristiscs Active Transformation System Functional Block Diagram

4 地面车辆雷达隐身设计示例

通过FASTEM-SNOOKER软件仿真验证车辆雷达隐身赋形方案的有效性。橡胶外胎简化为空气，传感器频率为10 GHz，不考虑地面背景的影响。图5为车辆仿真模型。

图5 车辆雷达特征仿真模型Fig.5 Simulation Model of Vehicles’ Radar Characteristiscs

续图5

车辆雷达隐身赋形方案如图5b所示，针对主要威胁方向，发射筒与设备舱采用一体斜置外形，驾驶室前侧及两侧采用斜置外形设计，玻璃采用屏蔽玻璃，整个外形方案避免了三面角、二面角、腔体以及镜面强散射出现在主要威胁区域内。

图6为车辆RCS仿真结果。图7为车辆iSAR仿真模型，表2为各模型威胁方向内RCS均值计算对比。

图6 车辆RCS仿真结果Fig.6 RCS Simulation Result of Vehicles

图7 车辆iSAR仿真结果Fig.7 iSAR Simulation Result of Vehicle

表2 各模型威胁方向内RCS均值计算对比（单位：dBsm）Tab.2 RCS Mean Value Contrast of Each Model in Threat Direction

由图6、图7、表2仿真计算结果可知：与原车相比，赋形隐身方案在威胁方向内RCS均值降低12.5 dB（车头）和11.2 dB（左侧面）；iSAR图像强散射点亮度明显降低。与民用车相比，车辆赋形隐身方案RCS车头方向明显小于客车和货车。可初步得出结论：赋形隐身可明显提升地面车辆的雷达隐身性能；RCS均值明显低于客车和货车。

5 结束语

导弹地面车辆的射前生存是攻防对抗条件下发挥武器作战效能的重要前提条件；采用先进的伪装隐身技术将成为导弹武器装备发展的必然趋势。本文研究了导弹地面车辆雷达侦察威胁角域，提出了主要威胁擦地角范围为20～70º，为雷达赋形隐身提供了依据；分析了地面车辆雷达暴露特征，探讨了地面车辆目标特性控制方法，针对地面车辆原型、赋形隐身方案和民用车辆进行了RCS和iSAR仿真分析，初步验证了赋形隐身有效性，为导弹地面车辆雷达隐身设计人员提供参考。

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